基于流場特性數(shù)值模擬的袋式除塵器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究綜述

張珈旗,董忠紅

基于流場特性數(shù)值模擬的袋式除塵器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究綜述

張珈旗,董忠紅*

(長安大學(xué),道路施工與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064)

流場特性是影響袋式除塵器凈化效果、除塵效率和使用壽命的關(guān)鍵因素,是優(yōu)化或評價(jià)設(shè)備設(shè)計(jì)合理性的依據(jù).本文在袋式除塵器工作原理分析基礎(chǔ)上,明確了目前袋式除塵器研發(fā)中需要解決的關(guān)鍵問題,闡述了袋式除塵器內(nèi)部流場數(shù)值模擬方法、流場特征評價(jià)指標(biāo)、以及流場分布的關(guān)鍵影響因素,并重點(diǎn)歸納總結(jié)了常見結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素對袋式除塵器流場特性的基本影響規(guī)律.以期通過該綜述,可以為改善袋式除塵器內(nèi)部流場性能的用戶提供可以參考的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法.

袋式除塵器；流場分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；計(jì)算流體力學(xué)(CFD)

袋式除塵器具有除塵效率高[1-3]、超細(xì)粉塵捕集效果佳[4-5]、運(yùn)行阻力相對較低[6]、顆粒排放濃度低[4]、能夠適應(yīng)不同機(jī)組風(fēng)量范圍[7-8],在工業(yè)除塵領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[9].但是在工程應(yīng)用中,袋式除塵器易發(fā)生灰斗二次揚(yáng)塵[10]、過濾元件壽命低[3]和過濾效率衰減嚴(yán)重等行業(yè)共性問題[2].而除塵箱體內(nèi)氣流分布不均勻和工作阻力偏高是產(chǎn)生以上問題的主要原因[5,7,11-15].鑒于此,對袋式除塵器內(nèi)部流場進(jìn)行分析研究,提出解決這些問題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,是十分必要的.目前研究袋式除塵器內(nèi)部流場的主要方法有實(shí)驗(yàn)研究法、理論分析法和數(shù)值模擬法[16-17].實(shí)驗(yàn)方法效率低、成本高,難以深入研究不同因素對流場特征影響規(guī)律及多因素耦合效應(yīng),理論分析法往往對袋式除塵器模型進(jìn)行簡化處理使結(jié)果有較大偏差.隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高,基于CFD數(shù)值模擬方法越來越受到重視,能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究方法和理論分析方法的不足[3,18-19],在產(chǎn)品研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和方案評比中得到廣泛應(yīng)用[16].

袋式除塵器利用過濾元件將含塵氣體中的粉塵顆粒、污染物顆?；蛞旱芜M(jìn)行分離捕集[11].因此,國內(nèi)外學(xué)者往往從過濾元件和設(shè)備結(jié)構(gòu)兩大方面研究袋式除塵器內(nèi)部流場特征及其影響規(guī)律.對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的研究主要從過濾元件的結(jié)構(gòu)及其空間布局、均流導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)及其空間布局和其他結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行討論[2,4,7,12,18,20-31].Croom[32]1996年就已經(jīng)提出改進(jìn)袋式除塵器進(jìn)氣口和導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)是提高除塵效率有效途徑,為研究除塵器效率提升提供了思路.之后,鄭輝[33]采用CFD數(shù)值模擬方法研究袋式除塵器內(nèi)部流場特性,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空間布局可以有效改善氣流分布均勻性.桑亮等[34]對袋式除塵器氣流分布進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),以相對均方根值為評價(jià)指標(biāo),發(fā)現(xiàn)梯形和柵格導(dǎo)流板均可以提高除塵設(shè)備內(nèi)部流場均勻性,且梯形導(dǎo)流板較柵格導(dǎo)流板更易于改善除塵器流場性能,建議進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮.以上學(xué)者,分別采用模擬試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法對除塵器流場進(jìn)行研究而獲得相似結(jié)論,一方面說明改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是改善除塵器流場均勻性,提高除塵效率的有效途徑,另一方面也證明CFD數(shù)值模擬方法的科學(xué)性和可靠性.

為深入了解基于流場特性數(shù)值模擬方法的袋式除塵器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響的研究現(xiàn)狀,本文對不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素對袋式除塵器內(nèi)部流場性能的基本影響規(guī)律研究進(jìn)行歸納總結(jié).聚焦袋式除塵器研究的主要領(lǐng)域和方法,探討解決袋式除塵器熱點(diǎn)問題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,并對未來的研究工作提出建議和展望.

1 袋式除塵器內(nèi)部流場問題簡述

袋式除塵器基本組成有灰斗、過濾元件和箱體,含塵氣體由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入,通過與過濾元件作用后獲得清潔氣體,由出風(fēng)口排出,被分離的粉塵顆粒落入灰斗.其中過濾元件是除塵器核心構(gòu)件,含塵氣體通過過濾元件發(fā)生篩濾效應(yīng)[11,35]、碰撞效應(yīng)[8,12]、鉤附效應(yīng)[8,36]、擴(kuò)散效應(yīng)[12]、重力沉降[17]和靜電作用[8,35]等復(fù)雜作用[37].

含塵氣體與過濾元件之間的過濾作用效果越好,袋式除塵器的除塵效率越高.然而袋式除塵器內(nèi)部易發(fā)生的灰斗二次揚(yáng)塵[10]和過濾元件壽命降低[3]問題會影響其作用效果[2],使設(shè)備工作效率衰減嚴(yán)重.除塵箱體內(nèi)氣流流速高、氣流分布不均勻和工作阻力偏高是產(chǎn)生以上問題的主要原因[5,7,11-15],可歸納于表1.

表1 袋式除塵器常見問題的產(chǎn)生原因

工程上評價(jià)袋式除塵器性能的指標(biāo)不僅包括除塵效率,還有設(shè)備運(yùn)行阻力和經(jīng)濟(jì)成本等指標(biāo)在內(nèi),具體的見表2.

表2 袋式除塵器性能的工程評價(jià)指標(biāo)

為提高袋式除塵器的除塵效率,降低其運(yùn)行阻力和經(jīng)濟(jì)成本,就有必要改善前文提出的工作阻力偏高、氣流均勻性差和流量風(fēng)速大的缺點(diǎn).

2 袋式除塵器內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究方法簡述

2.1 基于CFD的數(shù)值模擬方法

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是利用大型計(jì)算機(jī)對研究對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,采用設(shè)定的數(shù)值分析方法來研究流體流動的各類力學(xué)問題,從而達(dá)到預(yù)測整個(gè)流場流動狀態(tài)的目的[16,42-45].

利用數(shù)值模擬方法研究除塵器內(nèi)部流場特性的,較早的有Nielsen[46]建立電除塵器的物理模型,模擬氣流分布板對氣流組織的影響.Aroussi等[47]利用CFD數(shù)值模擬方法研究袋式除塵器中單個(gè)濾筒工作時(shí)粉塵顆粒的運(yùn)動,并用實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬方法能有效地模擬粉塵顆粒的運(yùn)動軌跡.Cagna等[48]運(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法研究2D條件下袋式除塵器的內(nèi)部流場分布情況,并用工程中的實(shí)際參數(shù)驗(yàn)證其數(shù)值模擬結(jié)果的正確性.鄭輝等[49]指出使用實(shí)際工程尺寸建立模型是降低結(jié)果偏差的有效手段.黨小慶等[50]分別利用CFD數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)研究方法對直通式袋式除塵器進(jìn)行對比研究,所得的整個(gè)箱體的流量分配、每個(gè)濾袋單元處理風(fēng)量、濾袋迎面氣流速度大小和分布等數(shù)據(jù)結(jié)果基本相吻合,進(jìn)一步說明CFD數(shù)值模擬方法和軟件運(yùn)用于實(shí)際工程中的可行性.

2.2 袋式除塵器內(nèi)部流場數(shù)值模擬模型

2.2.1 湍流模型 根據(jù)雷諾數(shù)可判斷出,大部分實(shí)際工況中氣流流動狀態(tài)為湍流,而目前針對湍流流動的數(shù)值計(jì)算方法有直接數(shù)值計(jì)算(DNS)和非直接數(shù)值計(jì)算[11].工程應(yīng)用中更關(guān)注湍流所導(dǎo)致的平均流場變化規(guī)律,因此普遍采用非直接的數(shù)值計(jì)算方法[7].RANS方法是非直接計(jì)算方法中最常用的,分為Reynolds應(yīng)力模型和渦黏性模型[42].因?yàn)榍罢哂?jì)算工作量較大,所以研究者更多采用渦黏性模型.

其中,兩方程模型是目前最常用的渦黏性模型,建立了湍動能與湍流耗散率之間的函數(shù)關(guān)系[21],包括以下三種形式:

Standard模型具有較好的穩(wěn)定性、精確性和經(jīng)濟(jì)性,較為符合工程計(jì)算[7],余歡[7]和孫小云[21]使用該模型進(jìn)行了一定研究,但是該模型在強(qiáng)旋流和繞彎曲壁面流動中有一定的失真.RNG模型是一種高雷諾數(shù)模型,是對第一種模型的修正[21]. Realizable模型是對上述兩種方程的補(bǔ)充,被有效用于不同類型流動模擬,如射流和混合流,能更精確地預(yù)測尾流擴(kuò)散和平板射流等問題,任美姚[11]使用該模型進(jìn)行了研究.

目前為止,沒有一種湍流模型適用于任何工況,在建立湍流模型時(shí),需要根據(jù)研究問題的特征進(jìn)行選擇,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證所建立模型的可靠性.

2.2.2 離散相模型 含塵氣體中氣體為連續(xù)相,灰塵顆粒物為離散相.故模擬除塵器過濾的顆粒物,需引入離散相模型(DPM).離散相模型對于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流動,可以考慮離散相多種作用力,預(yù)報(bào)連續(xù)相中由于湍流渦旋的作用對顆粒造成的影響.通過建立離散相模型,可以在后處理中獲得顆粒物的軌跡,以輔助分析內(nèi)部流場流動特征[42].但是DPM忽略了顆粒與顆粒之間的相互作用力和體積分?jǐn)?shù)對連續(xù)相的影響.因此當(dāng)研究的含塵氣流中顆粒物之間影響不容忽視時(shí),不適合采用DPM模型[21,42].

也有研究者為簡化模擬模型,忽略離散相作用力而直接進(jìn)行數(shù)值模擬的.余歡[7]和任美姚[11]只研究了氣流均勻性而未考慮所含粉塵顆粒物及其特性對內(nèi)部流場的影響,故未使用離散相模型.

2.2.3 多孔介質(zhì)模型 對過濾元件的數(shù)值模擬需建立多孔介質(zhì)區(qū)域和多孔跳躍模型.多孔跳躍模型(Porous Jump)是多孔介質(zhì)區(qū)域的一維簡化模型,具有良好的收斂性和魯棒性,該模型將過濾元件簡化為面區(qū)域而非體區(qū)域.任美姚[11]采用了該模型進(jìn)行濾袋簡化處理,需要考慮的參數(shù)有過濾介質(zhì)的滲透率、厚度和壓降系數(shù)[11].而余歡[7]使用多孔介質(zhì)區(qū)域模型以簡化濾筒裝置,需要設(shè)置過濾元件的粘性阻尼系數(shù)和慣性阻尼系數(shù).

孫小云[21]認(rèn)為多孔跳躍介質(zhì)只能反映出濾袋內(nèi)外的壓力跳躍,無法描述對氣體通過濾料的速度和形態(tài),因此在研究袋式除塵器整機(jī)性能時(shí)采用更貼合實(shí)際的多孔介質(zhì)模型來模擬濾袋,而僅在研究單袋室的內(nèi)部流場分布時(shí)采用多孔跳躍介質(zhì).

2.3 袋式除塵器數(shù)值模擬結(jié)果的評價(jià)指標(biāo)

數(shù)值模擬不僅可以獲得等值線圖、矢量圖和云圖等結(jié)果,查看相關(guān)物理量分布,還可以獲得各節(jié)點(diǎn)物理量數(shù)值解以進(jìn)行其他相關(guān)計(jì)算處理[18,51],評價(jià)指標(biāo)如表3.

表3 氣流均勻性的評價(jià)指標(biāo)

3 袋式除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對內(nèi)部流場性能的影響

袋式除塵器流場性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素有過濾元件的結(jié)構(gòu)及其位置布局、均流導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)及其布局和其他結(jié)構(gòu)等內(nèi)容,如圖1所示.

圖1 袋式除塵器影響內(nèi)部流場性能關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 過濾元件結(jié)構(gòu)及其位置布局對袋式除塵器內(nèi)部流場性能的影響

3.1.1 過濾元件結(jié)構(gòu) 國內(nèi)外研究者基于數(shù)值模擬的方法,對濾袋和濾筒兩種過濾元件主要從微觀和宏觀尺度來研究本體結(jié)構(gòu)對袋式除塵器內(nèi)部流場特性的作用,以及對過濾效率的影響.

濾袋為柔性元件,對于其濾料結(jié)構(gòu)研究主要集中在微觀纖維排列方面,Qian等[53]使用基于CFD– DEM氣體-固體流特性的數(shù)值模擬模型,過濾元件的單位面積過濾帶數(shù)量不變前提下,即濾料纖維數(shù)量固定,纖維直徑增大易形成枝晶結(jié)構(gòu),濾料介質(zhì)孔隙率降低.粉塵顆粒沉積在纖維介質(zhì)表面,在長時(shí)間工作下,顆粒物會導(dǎo)致枝晶坍塌,堵塞介質(zhì)孔隙,導(dǎo)致壓降增加.因此,在考慮顆粒沉積和枝晶坍塌時(shí),過濾元件的運(yùn)行壓降隨著纖維直徑的增加而增加.值得說明的是,當(dāng)研究條件變化時(shí),即過濾元件單位面積的纖維數(shù)量隨纖維直徑的增大而減小時(shí),纖維之間形成的孔隙尺寸增大,但單位面積孔隙率減小,并且比表面積減小,使顆粒不易與纖維接觸而被吸附,雖然減小了運(yùn)行壓降,但是降低了過濾效率.

Wang等[54]在CFD數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上引入Lattice Boltzmann–Cellular Automata(LB–CA)充滿粒子流的概率模型進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維交錯(cuò)排列模型的濾袋的過濾性能優(yōu)于纖維并行排列模型的過濾元件.Li等[55]應(yīng)用CFD對基于幾種不同細(xì)度的梯度排列的濾料纖維進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了幾種不同排列方式,認(rèn)為并聯(lián)設(shè)計(jì)梯度排列相較于交錯(cuò)設(shè)計(jì)梯度排列,使設(shè)備具有較低的過濾效率和運(yùn)行壓降.迎塵面細(xì)密排列利于提高過濾效率,而背塵面稀疏排列有利于降低運(yùn)行壓降.總體而言,當(dāng)改變?yōu)V袋纖維結(jié)構(gòu)或者排列方式時(shí),提高過濾元件的過濾效率會增加工作壓降,因此在工程應(yīng)用中不能一味地提高過濾效率,否則工作壓降過高會增加能耗,長期工作更會破壞過濾元件至系統(tǒng)失效,反而降低了過濾效率.

濾筒為剛性元件,對于其結(jié)構(gòu)研究主要集中在濾芯微觀結(jié)構(gòu)方面,吳利瑞等[56]分析濾筒的直徑、褶數(shù)、褶高和褶邊夾角之間的關(guān)系,認(rèn)為褶數(shù)、褶高和褶邊夾角對濾筒的過濾性能影響較大,不能忽略.查文娟等[57]在CFD的數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上結(jié)合響應(yīng)面法分析褶高、褶間距和過濾風(fēng)速對褶式濾芯阻力的影響,結(jié)果表明三者對其均有影響,獲得顯著性水平從大到小依次為過濾風(fēng)速、褶間距和褶高.黃乃金等[58]在CFD數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上引入隨機(jī)多層纖維過濾介質(zhì)算法進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)隨濾筒的褶尖角增大,過濾元件壓力損失先減小后增加;而過濾元件的過濾效率還與顆粒直徑、袋式除塵器的過濾機(jī)理有關(guān),歸納于表4.

表4 濾筒式過濾元件褶尖角變化對過濾效率的影響

在宏觀關(guān)結(jié)構(gòu)方面,過濾元件主要分為濾袋和濾筒,其結(jié)構(gòu)差異[7]如表5所示.唐勝衛(wèi)[59]總結(jié),濾袋式過濾元件除塵效率高、可分離粉塵顆粒種類多和應(yīng)用范圍廣,而濾筒式不僅除塵效率高、而且過濾元件運(yùn)行壓力損失較低、入口含塵氣體的粉塵顆粒濃度范圍廣和結(jié)構(gòu)緊湊易安裝.

表5 常規(guī)式濾袋和濾筒的結(jié)構(gòu)對比

丁瑞星等[60]就濾筒式和橫插扁袋式兩種不同過濾元件的袋式除塵器進(jìn)行對比研究.同樣工況下前者的除塵效率高于后者,且過濾元件運(yùn)行阻力較低,設(shè)備工作過程更穩(wěn)定,但是濾筒式的經(jīng)濟(jì)成本相對較高.趙歡等[61]獲得圓形濾筒和錐形濾筒工作過程中的過濾元件的運(yùn)行壓力損失和流場速度變化,結(jié)果表明結(jié)構(gòu)改變后的錐形濾筒工作時(shí)氣流按表面積分配更加均勻,同時(shí)因?yàn)橐欢嗣嬷睆阶兇?故使得氣流流速降低,壓力損失也降低.張亞蕊等[62-63]研究常規(guī)圓形式和內(nèi)部附有錐體結(jié)構(gòu)的新型圓形式濾筒式過濾元件,結(jié)果表明新型式的氣流分布更加均勻,過濾性能也有所提高,工作運(yùn)行阻力有所降低,并且隨著錐體高度和錐頂半徑的增大,濾筒內(nèi)部的壓力分布逐漸變得均勻,壓力損失也逐漸減小.

以上幾種新結(jié)構(gòu),雖然改善了內(nèi)部流場性能,但沒有總效率或分級效率的模擬,建議建立離散相模型,添加結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的除塵效率對比分析.

丁倩倩[64]在CFD數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上引入簡化的歐拉模型-代數(shù)滑移混合模型(Algebraic Slip Mixture Model,ASMM)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),隨著濾袋長度的增加,除塵器內(nèi)部流場的均勻性提高,但是濾袋過長時(shí)易產(chǎn)生二次揚(yáng)塵的影響.然而該研究在進(jìn)行不同袋長模型分析時(shí),并未嚴(yán)格做到控制變量法的要求,不僅袋長參數(shù)不同,箱體尺寸等參數(shù)也隨之變化.余歡等[65]就不同濾筒長度對濾筒除塵器內(nèi)部流場的影響做了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)長濾筒的除塵器在較高風(fēng)速過濾下,阻力大且增長速度快.其原因在于,隨著濾筒長度增加,底部空間減小,不利于風(fēng)流的均布,而短濾筒下部的大空間更利于風(fēng)流擴(kuò)散均布.

過濾元件的底面直徑和長度對氣流流場的影響不是獨(dú)立的,以上研究說明只研究長度參數(shù)而忽略底面直徑參數(shù)的影響,在多種不同的工程應(yīng)用中參考價(jià)值較小,故在之后研究中,應(yīng)考慮兩者對氣流流場影響的耦合效應(yīng),通過模擬研究獲得底面直徑與長度參數(shù)優(yōu)化匹配.

3.1.2 過濾元件的位置布局 對于過濾元件的位置布局結(jié)構(gòu)的研究一般有優(yōu)化過濾元件間距、過濾元件與灰斗的間距(即袋底空間)、過濾元件的數(shù)量、過濾元件的排列方式等等內(nèi)容.鄧曉飛[66]研究濾袋間距對除塵器內(nèi)部氣流的影響,結(jié)果表明小間距的過濾元件表面氣流上升速率明顯大于較大間距的,而流場流速過高會降低濾袋過濾性能和破壞過濾元件,因此采用的濾袋間距不宜過小.張櫻[67]研究濾袋布局問題中袋底空間除塵器內(nèi)部流場的影響,結(jié)果表明適當(dāng)降低濾袋至灰斗的距離可以使各過濾元件氣流處理量均勻分配,并且能夠提高遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口位置的過濾元件的過濾效率,然而過低的距離會產(chǎn)生二次揚(yáng)塵的不良現(xiàn)象.唐奇等[68]研究濾袋布局問題中最佳濾袋數(shù)量的問題.但是過濾元件的最佳數(shù)量問題是過濾元件間距、袋底空間、過濾元件的排列方式等等問題的綜合,因此單獨(dú)研究過濾元件數(shù)量而不討論其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律,缺少實(shí)際意義.

余歡[7]鑒于前文已述的濾筒式和濾袋式兩種過濾元件的優(yōu)缺點(diǎn),提出濾筒濾袋混合裝配的改造思路以提高除塵效率和降低經(jīng)濟(jì)成本.在使用基于CFD的數(shù)值模擬辦法進(jìn)行研究分析,結(jié)果表明濾筒濾袋按比例混裝時(shí)的流量分配系數(shù)低于全為濾筒式或全為濾袋式的,并且混裝改造的確有利于降低阻力.余歡在提出濾筒濾袋混裝改造的同時(shí),還考慮到濾筒濾袋的位置布局對設(shè)備過濾性能的影響,結(jié)果表明:濾筒靠近出風(fēng)口位置有利于流量更加均勻分配,同時(shí)濾筒濾袋間隔分布也有利于氣流均布.對于該結(jié)論,雖然余歡的模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究均證明了該結(jié)論的正確性,但是在實(shí)際應(yīng)用工程中,濾筒和濾袋的元件參數(shù)相差較大,在同一箱體內(nèi)所受作用不平衡,在長時(shí)間的工作過程中,會使柔性結(jié)構(gòu)的濾袋元件提前發(fā)生損壞,而使整個(gè)系統(tǒng)失效.所以該結(jié)論能否應(yīng)用到實(shí)際工程中還有待商榷,若將該結(jié)論應(yīng)用到實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)當(dāng)考慮到長期工況下的結(jié)果,而不能僅以短期內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)果為結(jié)論.

安蓉蓉等[69]研究過濾元件常規(guī)正方形排列方式和轉(zhuǎn)角正方形排列方式,如圖2所示,結(jié)果表明轉(zhuǎn)角正方形排布的流量分配系數(shù)的波動幅度較小,因此氣流分布均勻性較好.分析其原因是該方式可以使氣流繞過濾元件后在背風(fēng)側(cè)的尾流沖刷過濾元件以防止積灰,提高過濾性能.

圖2 濾袋的常規(guī)正方形排列方式(左)和轉(zhuǎn)角正方形排列方式(右)[69]

因?yàn)椴捎肅FD數(shù)值模擬方法難以準(zhǔn)確建立過濾元件微觀的纖維結(jié)構(gòu)模型,所以對其的研究常忽略或簡化個(gè)別條件,使所得結(jié)果有誤差.盡管如此,過濾元件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是改善設(shè)備流場特性的一個(gè)有明顯作用的方法,是研究袋式除塵器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對內(nèi)部流場特性影響因素的一個(gè)重要領(lǐng)域.

3.2 箱體局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對袋式除塵器內(nèi)部流場性能的影響

3.2.1 均流導(dǎo)流裝置 導(dǎo)流裝置是為改變氣流方向,使之沿期望的方向流動.均流裝置是為了改變氣流流速.除塵器入口高速射流氣流不僅使流場氣流均勻性變差,影響除塵效率,而且沖刷過濾元件甚至破壞元件結(jié)構(gòu),降低濾袋或?yàn)V筒的使用壽命,使除塵系統(tǒng)過早失效,為了降低這些負(fù)面影響,在除塵器入口常常設(shè)置相應(yīng)的均流導(dǎo)流裝置.Schroorten等[70-71]在進(jìn)風(fēng)口位置添加裝置來改善內(nèi)部氣流組織,得到良好的效果.汪家瓊等[72]研究在袋式除塵器的進(jìn)風(fēng)口增添雙八字形導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和擋板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以避免氣流沖刷,實(shí)現(xiàn)更均勻的氣流分布.李少華等[73]設(shè)計(jì)幾塊逐漸下降的導(dǎo)流板,實(shí)現(xiàn)對射流的分流以改變氣流方向和速度,使箱體內(nèi)氣流分布均勻,有效地減少氣流對部分濾袋的沖刷,提高濾袋壽命.黃鶯等[74]研究經(jīng)折流板進(jìn)風(fēng)、經(jīng)氣流分布板進(jìn)風(fēng)和經(jīng)導(dǎo)流板下進(jìn)風(fēng)的袋式除塵器內(nèi)部氣流分布,建立三種設(shè)備的物理模型,如圖3所示,借助CFD數(shù)值模擬獲得速度分布圖和渦流速度分布圖,結(jié)果表明后兩者的氣流均勻性比第一種方案好,且結(jié)構(gòu)形式簡單緊湊.

張相亮[75]設(shè)計(jì)了15°夾角的斜向?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu),研究獲得氣流均布板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對進(jìn)氣均勻性的影響顯著性水平從大到小依次為板長、偏角、板數(shù)、導(dǎo)流板上部至灰斗平面高度和均布板遞增長度,該研究對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義,為實(shí)際工程中除塵器均流導(dǎo)流裝置的優(yōu)化指明了方向.

Lima等[76]研究不同氣流均布板偏角對袋式除塵器進(jìn)風(fēng)口高速射流影響的改善效果影響,獲得其工況下最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為20°.雖然該文章在進(jìn)風(fēng)管道口中增加了擋板以改變氣流方向并降低流速,使氣流對袋底沖刷影響明顯減弱,但是該結(jié)構(gòu)是否會加深流場紊亂程度并未通過速度云圖或流線圖進(jìn)行說明.

王憲[77]提出增添垂向雙導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu),隨著導(dǎo)流板距進(jìn)風(fēng)口底部高度的減小,綜合流量不均系數(shù)先減小后增加.張彥婷等[78]也研究袋式除塵器入口導(dǎo)流板排列角度對設(shè)備內(nèi)部流場的影響,隨著角度的調(diào)節(jié),導(dǎo)流板角度從上到下增大,氣流均勻性得到改善.郭志勇[79]研究散射裝置的大小對濾筒除塵器內(nèi)部流場特性的影響:隨著散射裝置底面直徑由小增大,綜合流量不均系數(shù)先減小后增加.以上根據(jù)工況不同,存在一個(gè)最佳值使得袋式除塵器內(nèi)部氣流分布更加均勻.

孫小云[21]對于分風(fēng)裝置進(jìn)行研究,指出分風(fēng)屏開孔率的大小對袋室運(yùn)行阻力、袋室分風(fēng)均勻性和濾袋表面速度沒有顯著影響,但是開孔率增加會提高袋間氣流的上升速度.焦偉俊[80-81]研究四種類型的袋式除塵器箱體分風(fēng)屏結(jié)構(gòu)(T字型方孔分風(fēng)屏、I字型方孔分風(fēng)屏、L字型方孔分風(fēng)屏、T字型百葉窗分風(fēng)屏)對內(nèi)部流場的影響,該分風(fēng)屏適用于大型集成袋式除塵器箱體內(nèi),將對內(nèi)部流場特性的研究從單個(gè)小箱體提升到多個(gè)大箱體層面,為之后的研究提供了新思路.

值得注意均流導(dǎo)流裝置降低氣流速度和改變氣流方向的同時(shí),也會造成流體能量損失,因此,所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的科學(xué)性往往需要根據(jù)其對設(shè)備壓降阻力的影響進(jìn)行模擬研究.不僅要按照上述研究獲得氣流均勻性系數(shù),分析流場均勻性,還要進(jìn)行壓力場分析,綜合評價(jià)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的性能.

圖3 經(jīng)折流板進(jìn)風(fēng)(左)、經(jīng)氣流分布板進(jìn)風(fēng)(中)和經(jīng)導(dǎo)流板下進(jìn)風(fēng)(右)示意圖[74]

3.2.2 進(jìn)風(fēng)方式 胡峰[82]研究下進(jìn)風(fēng)式、側(cè)進(jìn)風(fēng)式和上進(jìn)風(fēng)式三種傳統(tǒng)進(jìn)風(fēng)方式的大型袋式除塵設(shè)備,并提出改進(jìn)建議:對于下進(jìn)風(fēng)式的應(yīng)該降低進(jìn)口風(fēng)速以使得袋式除塵器內(nèi)部流場更加均勻;對于側(cè)進(jìn)風(fēng)式的應(yīng)該在氣流入口處添加氣流漸擴(kuò)裝置.陳紅超[83]對比在相同條件下傳統(tǒng)側(cè)進(jìn)風(fēng)方式和側(cè)下進(jìn)風(fēng)方式對除塵設(shè)備的影響,結(jié)果表明側(cè)下進(jìn)風(fēng)式的氣流分布較為均勻,但是會在灰斗處產(chǎn)生渦流而產(chǎn)生二次揚(yáng)塵現(xiàn)象.

譚志洪等[84]對比在相同條件下灰斗進(jìn)風(fēng)方式和傳統(tǒng)側(cè)進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器內(nèi)部流場,綜合得出側(cè)進(jìn)風(fēng)式的氣流分布較為均勻,而灰斗進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器容易產(chǎn)生二次揚(yáng)塵等問題.對于該文章提出的灰斗進(jìn)風(fēng)方式缺少科學(xué)研究價(jià)值,因?yàn)榛叶纷鳛槭占贿^濾后的顆粒物的裝置,若同時(shí)進(jìn)行進(jìn)風(fēng)工作,必然會引起干涉,發(fā)生二次揚(yáng)塵等問題.因此類似于此研究是為了模擬而模擬,缺少研究價(jià)值.

Pereira等[85]提出側(cè)切向進(jìn)風(fēng)和雙重反向進(jìn)風(fēng)方式,如圖4所示,研究表明單下進(jìn)風(fēng)式和雙重反向進(jìn)風(fēng)方式的袋式除塵器的內(nèi)部流場較為均勻.最后作者又指出,袋式除塵器內(nèi)部中心位置的過濾元件的質(zhì)量流量受進(jìn)風(fēng)位置和方向結(jié)構(gòu)變化的影響較小.Rocha等[86]研究進(jìn)氣口數(shù)對袋式除塵設(shè)備內(nèi)部流場的影響,如圖5所示,結(jié)果指出三重進(jìn)風(fēng)口相比于傳統(tǒng)的單進(jìn)風(fēng)口可以使設(shè)備內(nèi)部流場氣流分布均勻,降低氣流流速和設(shè)備的運(yùn)行壓力損失.總而言之,袋式除塵器進(jìn)風(fēng)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)是改善設(shè)備內(nèi)部流場特性的重要部分,除了研究傳統(tǒng)的三種進(jìn)風(fēng)方式,還有將進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與新型進(jìn)風(fēng)方式聯(lián)合研究,進(jìn)行多因素耦合數(shù)值模擬,探索更優(yōu)的改善方式.

圖4 單下進(jìn)風(fēng)式、側(cè)進(jìn)風(fēng)式、雙重反向進(jìn)風(fēng)式和側(cè)切向進(jìn)風(fēng)式示意[85]

圖5 傳統(tǒng)的單進(jìn)風(fēng)口與三重進(jìn)風(fēng)口[86]

3.2.3 其他結(jié)構(gòu) 除了改變袋式除塵器的進(jìn)風(fēng)方式和增添導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),改變進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)和箱體結(jié)構(gòu)也是一種提高設(shè)備內(nèi)部流場性能的方式.高廣德等[87]針對下進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器的四棱臺式進(jìn)口和直管式進(jìn)口的進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)同樣條件下四棱臺式進(jìn)口結(jié)構(gòu)的袋式除塵器內(nèi)部射流現(xiàn)象明顯減輕,氣流分布較均勻,壓力損失較小.郭志勇[79]針對上進(jìn)風(fēng)式濾筒除塵器將方形箱體改變成圓形箱體,指出改成圓形結(jié)構(gòu)可以提高濾筒的利用率,流量分配也較為均勻,解決了方形箱體空間利用率低和過濾元件氣體處理量分配不均的問題.孫小云[21]研究發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)風(fēng)管道口的長與高的比值增大,袋式分風(fēng)就越均勻,但是加寬進(jìn)風(fēng)管道會增大除塵設(shè)備的占地空間.吳維峰[88]對側(cè)進(jìn)風(fēng)式袋式除塵器增添入口喇叭口和雙層氣流均布板裝置,研究雙層氣流均布板在喇叭口中的相對位置對設(shè)備內(nèi)部氣流分布的影響,結(jié)果表明:第二層均布板更靠近入口方向,會使入射氣流最大速度降低;減小兩個(gè)均布板間的間距,會使袋式除塵器內(nèi)每個(gè)濾袋的氣流分布更加均勻,也會使整體的濾袋磨損減小.總之,影響袋式除塵內(nèi)部流場特性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不局限于箱體內(nèi)部,特殊情況下箱體外附件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是重要研究方向.

4 結(jié)語

綜上,各類關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均能不同程度地改善袋式除塵器內(nèi)部流場特性,但是作用機(jī)理和改善對象等各有不同.在過濾元件結(jié)構(gòu)方面,可通過改變物理參數(shù)和排列模型,以減小元件過濾阻力,從而改善流場特性.在均流導(dǎo)流裝置方面,可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、位置布局和組合模型,以降低射流速度,實(shí)現(xiàn)氣流流量分配均勻,從而降低壓降并改善流場.在進(jìn)氣結(jié)構(gòu)方面,帶漸擴(kuò)裝置的側(cè)進(jìn)風(fēng)方式優(yōu)于下進(jìn)風(fēng)方式,新型進(jìn)風(fēng)方式優(yōu)于傳統(tǒng)進(jìn)風(fēng)方式,多重進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)優(yōu)于單進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu).在其他結(jié)構(gòu)方面,也有諸如圓形箱體代替方形箱體的優(yōu)化設(shè)計(jì).

總而言之,各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是圍繞著均勻氣流分布、減小工作阻力和降低風(fēng)速來改善流場特性,以提高除塵效率和降低成本,實(shí)現(xiàn)解決袋式除塵器卡脖子問題的目標(biāo).

基于目前流場特性分析的袋式除塵器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)研究,存在以下問題并提出研究建議:

一是過濾元件濾料微觀結(jié)構(gòu)的物理模型和材料的化學(xué)反應(yīng)過程難以精確模擬,該問題是構(gòu)建精準(zhǔn)CFD模型的前提條件,尤其是對進(jìn)行過濾元件附件的細(xì)觀尺度流場分析,具有決定性影響.

二是均流導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類同化嚴(yán)重,與除塵器局部流場特征相關(guān)性不足.可引入熵產(chǎn)分析理論進(jìn)行局部能量損失評估研究,以更好的分析均流導(dǎo)流裝置的優(yōu)化性能.

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Review on key structure design of bag filter based on numerical simulation of flow field characteristics.

ZHANG Jia-qi, DONG Zhong-hong*

(Key Laboratory of Road Construction and Equipment , Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)., 2022,42(6)：2530～2540

Flow field characteristics are the key factors affecting the purification effect, dust removal efficiency and service life of bag filter, and are the basis for optimizing or evaluating the rationality of equipment design. Based on the analysis of the working principle of the bag filter, this paper clarifies the key problems to be solved in the current research and development of the bag filter, expounds the numerical simulation method of the internal flow field of the bag filter, the evaluation index of the flow field characteristics, and the key influencing factors of the flow field distribution, and emphatically summarizes the basic influence law of the common structural design factors on the flow field characteristics of the bag filter. It is hoped that this review can provide reference structural design methods for users to improve the internal flow field performance of bag filter.

bag filter；flow field analysis；structure design；computational fluid dynamics(CFD)

A

1000-6923(2022)06-2530-11

張珈旗(1998-),男, 陜西漢中人,長安大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)闅怏w流場仿真分析.

2021-11-18

* 責(zé)任作者, 教授, dzhong@chd.edu.cn